毕业设计（论文）-数控卧式铿铣床自动换刀机械手.doc

xxxxxxxxx毕业设计（论文） 数控卧式镗铣床自动换刀机械手学 生： xxx 学 号： xxxxxxxx专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机电2007.1班 指导教师： xxx xxxxx机械工程学院二o一一年六月 xxxxx 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 数控卧式镗铣床自动换刀机械手 学院：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机电2007.1班 学号： xxxxxxx 学生： xxxx 指导教师： xxxx接受任务时间 2011.03 教研室主任 （签名）院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1）、设计内容：机械手结构设计，plc控制系统设计，装配图12张（a0），零件图8张，电气原理图，设计说明书1份（40页以上）。2）、设计要求：（1）、规格参数：抓重: 20公斤；自由度数：4个；坐标型式：圆柱坐标；手架运动参数:拔、插刀行程(即滑座伸缩z)，155毫米(最大184毫米)；升降行程(即找刀排y)，3420毫米(刀排间垂直方向距离为420毫米，共四排) ；回转角度（）：180；装、卸刀手手臂伸缩行程(x)：195毫米；手指夹持刀柄的直径：100毫米；驱动方式: 液压（2）、全部设计图纸用autocad绘制；2指定查阅的主要参考文献及说明（1）机械零件设计手册（2）工业机械手图册（4）液压与气压传动（3）机械设计手册i（5）plc控制相关书籍（西门子或松下）（6）其他相关参考资料3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅相关参考资料，完成开题报告2011.03.12011.03.152机械手结构设计，plc控制系统设计2011.03.162011.04.153完成autocad零件图、装配图2011.04.162011.05.154编写设计说明书2011.05.162011.05.255毕业设计（论文）的修改、答辩的准备2011.05.262011.06. 1i摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。自动换刀机械手是自动换刀装置得重要组成部分，在一次装夹中完成铣、镗、钻、铰等多道工序，解决中小批生产零件的自动化问题。本文将设计一台四自由度的机械手，主要的功用就是自动换刀，它能准确、稳定、快速、可靠的换刀，不断重复的工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，同时也能节省大量的人力资源。首先，本文将设计机械手的手部手臂和机械手的结构，然后再为此机械手选择合适的传动方式、驱动方式，在此基础上，本文还将设计该机械手的plc控制系统，实现机械手的自动换刀。 关键词: 机械手，示教，自动换刀，驱动abstractin todays large-scale manufacturing enterprises to improve production efficiency, ensure product quality, universal importance of the production process automation, automated production line robot as an important member of gradually being recognized and adopted by enterprises. robot technology and applications to some extent, reflect the extent of a countrys level of industrial automation, at present, is mainly responsible for the robotic welding, painting, handling and stacking repetitive work and a great labor intensity, generally taken to show work teaching and playback mode. atc automatic tool changer robot is an important part too, to complete a fixture in the milling, boring, drilling, reaming and other procedures to address the automation of small batch production of parts problems. this paper will design a four degrees of freedom manipulator, the main function is the automatic tool change, it is accurate, stable, fast and reliable tool change, repetitive work and labor, i do not know fatigue, not afraid of danger, it can shorten the product manufacturing cycle and improve the accuracy of product processing, but also can save a lot of human resources. first, we will design the robot hand arm and manipulator structure, then this robot select the appropriate transmission mode, drive mode, on this basis, the paper will be the design of the robots plc control system, the robot automatically atc. keywords: manipulator, teaching, automatic tool change, drivei目 录毕业设计（论文）任务书i摘要iiiabstractiv第1章 绪 论11.1机械手的分类11.1.1机械手发展简史31.1.2 机械手应用简况31.1.3 机械手未来发展趋势41.2机械手的组成51.3应用机械手的意义61.4工业机械手在生产中的应用81.4.1建造旋转零件(转轴、盘类、环类)自动线81.4.2在实现单机自动化方面81.4.3铸、锻、焊热处理等热加工力面91.5课题工作要求91.5.1用途91.5.2规格参数9第2章 机械手的结构的设计112.1手部机构112.1.1手部设计基本要求112.1.2 典型的手部结构112.1.3机械手手抓的设计计算112.1.4 手架回转油缸计算152.1.5机身回转油缸计算172.2机械手腕部结构的设计202.2.1机械手腕部设计的基本要求202.2.2腕部的结构以及选择202.3机械手臂部设计212.3.1臂部设计的基本要求212.3.2臂部结构形式222.3.3臂部运动的导向装置232.4机械手机身的设计计算242.4.1机身的整体设计252.5系统组成252.6总体技术方案25第3章 plc控制系统273.1 pc 的结构和工作原理273.2机械手端口连接273.3机械手的plc控制程序28第4章 结 论30参考文献31致 谢32 第1章 绪 论 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐消费品的产业。不论是传统的产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响，可以说它是其他经济部门的生产手段，也可说是一切经济部门发展的基础。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和学技术水平的重要标志。因此，世界各国把发展机械工业作为发展本国经济战略重点之一。 工业机械手是最近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，在其中尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的优秀能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于各种自动化生产线中，机械人的研制和生产己成为高技术邻域内迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还下如人手那样灵活，但它具有能够不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到越来越多的部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械运动学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等相关科学领域，是一门跨学科综合技术，机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以之来完成在各个不同环境中工作。1.1机械手的分类 由于机械手还没有统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具各普通机械的性能之外，还具各通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测等。工业中采用的锻造操作机也属于这一类范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“mechanical hand，它是为主机服务的，由主机驱动;除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是第一类通用机械手，国外称为机器人。本设计所做的机械手是属于第三类机械手。(二)按驱动方式分1.液压传动机械手是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏时机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2，气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是介质来源极方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，而且汽缸压力较低，抓重一般在30公斤以下，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3.机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。它常被用干为工作主机的上、下料。4.电力传动机械手即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便.此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分 1.点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数越多，则必然增加电气控制系统的复杂性。日前多数机械手属于点位控制。2连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。1.1.1机械手发展简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。1978年美国unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种unimate-vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于士1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国knka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后就大力从事机械手的研究.前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。现在的工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制;改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手现正在加紧研制。它具有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至有的还具有听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能.第三代机械手则能独立完成工作的各种任务.它与电子计算机和相关电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统fms和柔性制造单元fmc中的重要一环。1.1.2 机械手应用简况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已经基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产工序是不连续的。因此，由于有装卸、搬运、焊接等工序机械化的迫切性，工业机械手应运而生，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计:美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工等。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。在国内，机械手应用在铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度国外铁路工业中应用机械手加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更是目前研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位以达到镶装的目的。1.1.3 机械手未来发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，但无论数量、品种和性能方面还是不能满足现代工业发展的需要。但不过工业机械手的应用也在逐步扩大，技术性不断的提高。但由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的发展趋势是：（一)扩大机械手在热加工行业上的应用目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来不少困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。同时，在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件等，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手手的作用。(二)提高工业机械手的工作性能 机械手工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的工作平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。（三)发展组合式机械手从机械手本身的特点来说，可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新，多品种小批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价廉，但适用范围又受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的结构设计成可以组合的型式.组合式机械手是将一些通用部件(如手臂伸缩部件、升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部件等)根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合、配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组织专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。（四)研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人” 对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合，工业机械手很难代替人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等，机械手不能自动分辨纠正，而只能停机，待人们排除意外事故后才能继续工作。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望使其具有“视觉”“触觉”，等功能，使之对物件进行判断、选择，能连续调节以适应变化的条件，并能进行“手-眼”协调动作。这就需要一个能处理大量信息的计算机。要求人与机器“对话”进行信息交流。这种带“视觉”“触觉”反馈的，由计算机控制的，具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人” 。所谓“智能”是包括:识别、学习、记忆、分析判断的功能。而识别功能是通过“视觉”“触觉”和“听觉”等感觉“器宫”认识对象的。具有感觉功能的机器人，其工作性能是比较完善的.能够准确地夹持任意方位的物件，判断物件重量，越过障碍物进行工作，自动测出夹紧力大小。并能自动调节，适用于从事复杂、精密的操作，如装配作业(国外研制的装配机器人，能将活塞装人间隙仅20微米的汽缸内，它有着一定的发展前途。智能机器人是一种新兴的技术，对它的研究将涉及到电子技术、控制论、通讯技术、电视技术、空间机构和仿生机械学等学科。它是当代自动控制技术的一个新兴的领域随着科学技术的发展，智能机器人将会代替人做更多的工作在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。 此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前己经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪(即距离传感器)以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象史成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后仲向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械乎装配作业的能力也将进一步提高口。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作伏态。1.2机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图: 1、执行机构(如图1.2-1所示)控制系统驱动系统执行机构工件位置检测装置图 1.2-1(1)手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型(多为回转型，因其结构简单)。手部多为两指(也有多指):根据需要分为外抓式和内抓式两种:也可以用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。传力机构形式较多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。(2)腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压(气)缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度较小(一般小于270)，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。(3)臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工件或夹具)，并带动他们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方位)，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受围部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。(4)行走机构有的工业机械手带有行走机构，现在的我国还处于仿真阶段。2.驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构机械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，因此，一般的机械手都采用液压驱动。3控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。本设计控制系统根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。1.3应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义包括：（1）以提高生产过程中的自动化程度，(2)以改善劳动条件，避免人身事故，(3)可以减轻人力，并使于有节奏的生产综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.4工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的.据资料介绍美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产:金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械乎就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有:注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序;机械手加工行业中用于取料、送料;浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.4.1建造旋转零件(转轴、盘类、环类)自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳水泵厂的深井泵轴承体加工自动线(环类)，大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线(轴类)，上海拖拉机厂的齿坯自动线(盘类)等。加工箱体类零件的组台机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。1.4.2在实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料;装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这右面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚数控卧式仪铣床换刀机械手铣花键机床机械手等。由于这方面的使用己有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手(生产线中有两台多工位机床)和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面:一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械等，其一是用于多工位冲床，用泪中压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。1.4.3铸、锻、焊热处理等热加工力面模锻方面，国内大批量生产的3t, 5t, 10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等己有较成熟的经验。1.5课题工作要求1.5.1用途在给定的程序指令下，配合刀库和卧式镗铣床(简称主机)实现所有加工工序的自动装、卸刀。1.5.2规格参数抓重: 20公斤自由度数: 4个坐标形式: 圆柱坐标手架运动参数: 拔、插刀行程(即滑座伸缩z): 155毫米（最大184毫米）升降行程(即找刀排y) 3420毫米(刀排间垂直方向距离为420毫米，共四排)回转角度(): 180装/卸刀乎手臂伸缩行程(x) 195毫米手指夹持刀柄的直径: 100毫米位置检测与定位方式:滑座伸缩、手架会装和装、卸刀手手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测，有挡块(或活塞与端盖)定位.手架升降运动采用无触电行程开关进行位置检测， 并控制三位四通阀适时“关闭”来定位。缓冲方式:滑座伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲:手架回转运动采用转换不同尺寸的出油口增加背压减速缓冲:手架升降运动采用无触点行程开关发信，切断油路缓速缓冲。驱动方式:液压控制方式:plc控制第2章 机械手的结构的设计2.1手部机构手部是机械手直接用于抓取和握紧(或吸附)工件或夹持专用工具(如喷枪、扳子、焊接工具)进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，一并安装于机械手手臂的前端。2.1.1手部设计基本要求(1)应具有适当的夹紧力和驱动力.应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。(2)手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度) ，以便于抓取工件(3)要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度的前提下，尽司能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4)应保证手抓的夹持精度。2.1.2 典型的手部结构(1)回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。(2)移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。(3)平面平移型。2.1.3机械手手抓的设计计算2.1.3.1手部的力学分析 下面对其基本结构进行力学分析:滑槽丝杠杆 图为常见的滑槽杠杆式手部结构。21（a） （b） 图2-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1-手指2-销轴3-杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为f，并通过销轴中心o点，两手指1的滑槽刘销轴的反作用力为f1和f2,其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交f1和f2的延长线于a及b。由=0 得f=f由 得 f f-f由 =0 得f=hh=f=式中a-指的回转支点到对称中心的距离(mm). -工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力f一定时，角增大，则握力凡也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构的增大，因此最好=3040。2.1.3.2夹紧力及驱动力的计算手指附加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行一一分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算:fnkkkg式中 k安全系数，通常1.22.0k工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算k=1+其中 a重力方向的最大上升加速度：a= g重力加速度 ，g=9.8m/s a= 运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时问，一般选取0.030.05s k方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 g被抓工件所受重力(n)。 表2-1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力f(n)液压缸工作压力mpa作用在活塞上外力f(n)液压缸工作压力mpa小于50000.8200002.050001.5300004.0100002.550000以上5.0计算:设a=200mm, b=50mm, 1040;机械手达到最高响应时问为0.5s，求夹紧力fn和驱动力f和驱动液压缸的尺寸。(1)设k=1.5 kl+=1.02k3 = 0.5根据公式，将己知条件带入=1.5*1.02*0.5*196n=149.9n(2)根据驱动力公式得:=（）*149.9=75.6n (3)取=0.85=89n(4)确定液从缸的直径d （d-d）p选取活塞杆直径d=0. 5d,选择液压缸压力油工作压力p=0.8mpa=0.05110121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200220250（280）320（360）400表2-2 液压缸钢筒内径尺寸系列（摘自gb/t2348-1993） （单位：mm）工作压力p/mpa 16mpa时，=1.25 ； 缸筒材料的许用应力，可查相关手册由前面的相关数据可知，液压缸的缸筒内径d=63mm，缸筒壁厚=15mm，两者比值小于10，所以该液压缸的缸筒不是薄壁缸筒。（2）厚壁缸筒 当液压缸的缸筒内径d和壁厚的比值小于10时为厚壁缸筒，按下式校核缸筒强度，即式中：d液压缸的缸筒内径，d=63mm； 缸筒材料的许用应力，查机械设计课程设计手册，选择许用应力=600mpa。 缸筒实验压力，由于缸筒额定压力为=8mpa，则缸筒的实验压力为=1.5pn =12mpa。由上式得出=15mm8.66mm，经计算校核，缸筒的壁厚符合设计要求。 综上所述，手臂回转选用单叶片式摆动液压缸，该摆动液压缸的叶片数为z=1，叶片宽度为b=0.02m，缸筒内径d=63mm，摆动轴直径d=16mm，液压缸的输入流量q=2l/min，缸筒壁厚=12mm，该叶片式摆动缸的摆动轴角速度为=2rad/s，液压缸的进口压力p1=10mpa，背压力p2=0.7mpa。2.1.4 手架回转油缸计算2.1.4.1回转油缸驱动力的计算手臂回转油缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡。=+惯性力矩的计算=式中 回转缸动片角速度变化量（rad/s），在启动过程中=； 启动过程的时间（s）； 手臂回转部件对回转轴线的转动惯量（n.m.s）若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为，则式中 回转零件的重心的转动惯量 =m（l+3r）/12回转部件可以等效为一个长250mm，直径为100mm的圆柱体，质量为80kg，设置起动角度=18，则起动角速度=0.314rad/s，起动时间设计为0.1s。所以 =（560+801.8125）=2213.7n.m.s密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算 =0.3 ，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。经过以上的计算，所以 =3316n.m.s(2)回转油缸尺寸的初步确定设计回转油缸的静片和动片宽b=20mm，选择液压缸的工作压强为10mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=15mm，则回转缸的内径通过以下计算：d= d=46mm根据表2-1和表2-4，确定液压缸的内径为d=50mm，活塞杆直径d=16mm。2.1.4.2 缸筒的壁厚校核根据前面的计算，我们知道缸筒内径为d=50mm，摆动轴的直径为d=16mm，在相关的机械设计手册上可查得缸筒壁厚。根据该液压缸的具体结构选择缸壁最薄处的厚度=8mm进行校核。（1）薄壁缸筒 当液压缸的缸筒内径d和壁厚的比值大于10时为薄壁圆筒，按下式校核缸筒强度，即式中：缸筒实验压力，当缸筒额定压力pn16mpa时， =1.5pn，当缸筒额定压力16mpa时， =1.25 ； 缸筒材料的许用应力，可查相关手册由前面的相关数据可知，液压缸的缸筒内径d=50mm，缸筒壁厚=8mm，两者比值小于10，所以该液压缸的缸筒不是薄壁缸筒。（2）厚壁缸筒 当液压缸的缸筒内径d和壁厚的比值小于10时为厚壁缸筒，按下式校核缸筒强度，即式中：d液压缸的缸筒内径，d=50mm； 缸筒材料的许用应力，查机械设计课程设计手册，选择许用应力=600mpa。 缸筒实验压力，由于缸筒额定压力为=8mpa，则缸筒的实验压力为=1.5pn =12mpa。由上式得出=8mm3.32mm，经计算校核，缸筒的壁厚符合设计要求。 综上所述，手臂回转选用单叶片式摆动液压缸，该摆动液压缸的叶片数为z=1，叶片宽度为b=0.02m，缸筒内径d=50mm，摆动轴直径d=21mm，液压缸的输入流量q=5l/min，缸筒壁厚=8mm，该叶片式摆动缸的摆动轴角速度为w=0.7rad/s，液压缸的进口压力p1=12mpa，背压力p2=0.7mpa。2.1.5机身回转油缸计算本次设计中，机身回转油缸选择可以实现往复运动的摆动缸，采用单叶片式摆动缸。根据油缸实际工作情况可知，油缸的输入流量为q=25l/min，拟定该回转油缸的叶片宽度为b=0.02m，拟定设计的规格参数，输出轴的角速度w=0.7rad/s，输出转矩t=5689nm。1. 确定手臂回转油缸的缸筒内径d和摆动轴直径d 该手臂回转油缸的输出轴角速度为：=式中 单叶片式摆动缸的摆动轴的角速度，=0.72rad/s； q单叶片式摆动缸的输入流量，q=25l/min； b单叶片式摆动缸的叶片宽度，b=0.02m； d单叶片式摆动缸的缸体内孔直径； d单叶片式摆动缸的叶片轴直径； 单叶片式摆动缸的容积效率，=0.85； z单叶片式摆动缸的叶片数，z=1。由手臂回转油缸的输出轴角速度公式可得出d和d的两者的关系d=0.33d。手臂回转油缸的摆动轴输出转矩为：式中 t摆动液压缸的输出转矩，t=5876nm；z摆动液压缸的叶片数，z=1； b摆动液压缸的叶片宽度，b=0.02mm； d摆动液压缸的缸筒内径； d摆动液压缸的摆动轴直径； p1摆动液压缸的进口压力，p1=10mpa； p2摆动液压缸的背压力，p2=0.5mpa； 机械效率，=0.85；由上述摆动液压缸的输出轴角速度和摆动轴输出转矩的计算公式联合求解，确定缸筒内径d=61mm，摆动轴的直径d=0.33d=21mm根据设计的具体要求和手臂回转液压缸工作的实际情况，按照表2-2和表2-4选择缸筒内径和摆动轴直径的标准值，最终确定油缸的缸筒内径 d=63mm，摆动轴的直径为d=22mm。2. 校核机身回转油缸的摆动轴输出转矩根据前面手臂回转油缸的设计要求，结合油缸实际工作情况和规格参数，该手臂回转油缸的摆动轴输出转矩为：由于液压缸的摆动轴输出转矩t=5876 nm，且液压缸驱动的实际所需转矩为6200 nm，即液压缸的摆动轴输出转矩t大于其实际所需转矩，故根据液压缸的设计要求可知，该液压缸符合设计要求。3. 缸筒的壁厚校核根据前面的计算，我们知道缸筒内径为d=61mm，摆动轴的直径为d=21mm，在相关的机械设计手册上可查得缸筒壁厚。根据该液压缸的具体结构选择缸壁最薄处的厚度=10mm进行校核。（1）薄壁缸筒 当液压缸的缸筒内径d和壁厚的比值大于10时为薄壁圆筒，按下式校核缸筒强度，即式中：缸筒实验压力，当缸筒额定压力pn16mpa时，=1.5pn，当缸筒额定压力16mpa时，=1.25 ； 缸筒材料的许用应力，可查相关手册由前面的相关数据可知，液压缸的缸筒内径d=60mm，缸筒壁厚=10mm，两者比值小于10，所以该液压缸的缸筒不是薄壁缸筒。（2）厚壁缸筒 当液压缸的缸筒内径d和壁厚的比值小于10时为厚壁缸筒，按下式校核缸筒强度，即式中：d液压缸的缸筒内径，d=61mm； 缸筒材料的许用应力，查机械设计课程设计手册，选择许用应力=600mpa。 缸筒实验压力，由于缸筒额定压力为=8mpa，则缸筒的实验压力为1.5 由上式得出=10mm6.27mm，经计算校核，缸筒的壁厚符合设计要求。 综上所述，手臂回转选用单叶片式摆动液压缸，该摆动液压缸的叶片数为z=1，叶片宽度为b=0.02m，缸筒内